JP2005292245A - Optical element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein a conventional optical waveguide element needs to be provided with an intermediate layer, when it is formed by sticking together substrates having nearly equal refractive indexes, and then it becomes expensive. <P>SOLUTION: An optical element formed, by directly jointing an optically polished 1st substrate and an optically polished 2nd substrate 2 together has an optical waveguide 5 in the 1st substrate, and has fine voids 3 on a directly jointed surface 4 at least below the optical waveguide 5. Consequently, no intermediate layer is necessary, and the optical element becomes low-priced and is improved in the jointing strength. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は直接接合された基板に形成される光学素子とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an optical element formed on a directly bonded substrate and a manufacturing method thereof.

従来直接接合技術は接着剤等を用いずに基板を強固に接合する技術として知られ、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなど様々な材料を高精度に接合することができる。このような直接接合された基板は、例えば直接接合基板(二枚一組の基板)の一方を薄板化した後、例えばリッジ加工して光導波路として利用することができる等、光学素子への応用が期待されている。これまでに、誘電体基板、半導体基板、ガラス基板等の直接接合基板における光学素子の一例として光導波路型素子が提案されている。特に上述した強誘電体結晶基板であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを同種基板あるいはガラス基板と直接接合し光導波路を形成する方法は特許文献1において薄膜を介した直接接合基板が提案されている。図3は前記上記特許文献1に示されている薄膜を介した直接接合基板の断面図を示すものである。図3に示すように、保持基板21と、ガラス基板22と、光導波路部23と、薄膜層SiO2やSiN24とから構成されている。
特開平6−222229号公報
Conventional direct bonding techniques are known as techniques for firmly bonding substrates without using an adhesive or the like, and various materials such as glass, semiconductors, ferroelectrics, and piezoelectric ceramics can be bonded with high accuracy. Such a directly bonded substrate can be used as an optical waveguide by, for example, thinning one of the directly bonded substrates (a set of two substrates) and then using it as an optical waveguide, for example. Is expected. So far, an optical waveguide type element has been proposed as an example of an optical element in a direct bonding substrate such as a dielectric substrate, a semiconductor substrate, or a glass substrate. In particular, Patent Document 1 proposes a directly bonded substrate through a thin film as a method of directly bonding lithium niobate or lithium tantalate, which are the above-described ferroelectric crystal substrates, to the same type substrate or glass substrate to form an optical waveguide. . FIG. 3 shows a cross-sectional view of a directly bonded substrate through a thin film disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 3, the holding substrate 21, the glass substrate 22, the optical waveguide portion 23, and a thin film layer SiO 2 or SiN 24 are included.
JP-A-6-222229

しかしながら、従来構成では、屈折率の等しい同種基板の直接接合基板に光導波路を形成することは困難であった。また、ニオブ酸リチウム基板とMgドープニオブ酸リチウム基板の直接接合のように、屈折率の異なる2種類の基板を直接接合した場合においても、屈折率の小さい方の基板に光導波路を形成することは不可能であった。特開平6−222229号においては薄膜層の表面粗さ制御が難しく、例えばSiO2膜の成膜にはスパッタ膜や蒸着膜では膜表面粗さが大きく直接接合には不適当であるため、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相蒸着)装置など高価で大がかりな装置が必要であるという課題があった。また、薄膜の形状条件などにより薄膜と基板との密着性や接合強度が不均一な分布を持ち、機械加工に対する強度が十分得られないという課題があった。 However, in the conventional configuration, it is difficult to form an optical waveguide on a directly bonded substrate of the same type having the same refractive index. In addition, even when two types of substrates having different refractive indices are directly joined, such as direct joining of a lithium niobate substrate and an Mg-doped lithium niobate substrate, it is possible to form an optical waveguide on a substrate having a smaller refractive index. It was impossible. Since the Japanese Patent Laid-Open No. 6-222229 difficult surface roughness control of the thin film layer, for example, the formation of the SiO 2 film in the sputtering film or a vapor deposition film is unsuitable for large direct bonding the film surface roughness, for example There has been a problem that an expensive and large-scale apparatus such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus is required. In addition, there is a problem in that the adhesiveness and bonding strength between the thin film and the substrate are unevenly distributed depending on the shape conditions of the thin film, and sufficient strength against machining cannot be obtained.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直接接合基板に光導波路を形成することを可能とし、これにより中間層が不要となり、低価格化および接合強度を有した光学素子を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and enables an optical waveguide to be directly formed on a bonded substrate, thereby eliminating the need for an intermediate layer, and providing an optical element having low cost and bonding strength. For the purpose.

前記目的を達成するために、光学研磨された第1の基板と光学研磨された第2の基板を直接接合してなる光学素子において、前記第1の基板内に光導波路を備え、少なくとも前記光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えるものである。   In order to achieve the above object, in an optical element formed by directly joining an optically polished first substrate and an optically polished second substrate, an optical waveguide is provided in the first substrate, and at least the optical waveguide is provided. A minute hole is provided in the direct joint surface under the waveguide.

本発明は、屈折率によらず直接接合基板に光導波路を形成することができ、低価格、および接合強度を有した光学素子を得ることができる。   According to the present invention, an optical waveguide can be directly formed on a bonded substrate regardless of the refractive index, and an optical element having low cost and bonding strength can be obtained.

(実施の形態1)
以下に本発明の実施の形態1における光学素子について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the optical element according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態1における光学素子の断面図である。   FIG. 1 is a sectional view of an optical element according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、屈折率2.19(波長0.633μmの場合)のMgドープニオブ酸リチウムからなる第1の基板1と、屈折率2.20(波長0.633μmの場合)のニオブ酸リチウムからなる第2の基板2とを、直接接合面4で直接接合させたもので、第1の基板1を加工してリッジ型に形成された光導波路5の下の直接接合面に微小な空孔3を設けたものである。ここで、空孔3の高さを約0.5μm、直径約0.3μm、体積密度を約0.5とする。また、光導波路5については、高さ(空孔3からリッジ頂点までの高さ)を約4μm、リッジ頂部の幅を約5μm、リッジ高さ(リッジ部周辺からリッジ頂部までの高さ)を約1.5μmとし、リッジ側面にリッジ部周辺よりも深くノッジ部6を深さ約0.1μmで形成する。   In FIG. 1, a first substrate 1 made of Mg-doped lithium niobate having a refractive index of 2.19 (in the case of a wavelength of 0.633 μm) and lithium niobate having a refractive index of 2.20 (in the case of a wavelength of 0.633 μm). The second substrate 2 is directly bonded to the direct bonding surface 4, and the minute holes 3 are formed on the direct bonding surface under the optical waveguide 5 formed into a ridge shape by processing the first substrate 1. Is provided. Here, the height of the holes 3 is about 0.5 μm, the diameter is about 0.3 μm, and the volume density is about 0.5. The optical waveguide 5 has a height (height from the hole 3 to the top of the ridge) of about 4 μm, a width of the top of the ridge of about 5 μm, and a ridge height (height from the periphery of the ridge to the top of the ridge). The nodging portion 6 is formed with a depth of about 0.1 μm deeper than the periphery of the ridge portion on the side surface of the ridge.

第1の基板1に空孔3を設けることにより、空孔3を含む領域の屈折率を小さくすることができ、これにより、光導波路5の中に光を閉じこめることができる。   By providing the holes 3 in the first substrate 1, it is possible to reduce the refractive index of the region including the holes 3, thereby confining the light in the optical waveguide 5.

なお、本実施の形態1では、第1の基板1に空孔3を設けているが、第2の基板2の方に設けても構わない。但し、本実施の形態1のように、第1の基板1の屈折率が、第2の基板2の屈折率より小さい場合、第1の基板1の方に設ける方が、第1の基板1の屈折率との差を大きくしやすいため望ましい。   In the first embodiment, the holes 3 are provided in the first substrate 1, but they may be provided in the second substrate 2. However, when the refractive index of the first substrate 1 is smaller than the refractive index of the second substrate 2 as in the first embodiment, it is preferable to provide the first substrate 1 on the first substrate 1. This is desirable because it is easy to increase the difference from the refractive index.

また、第1の基板1の屈折率が、第2の基板2の屈折率より大きい場合であっても、その差が小さい場合は閉じ込めが不十分になるため、本発明の効果が得られる。   Even when the refractive index of the first substrate 1 is larger than the refractive index of the second substrate 2, if the difference is small, confinement becomes insufficient, and the effect of the present invention can be obtained.

また、空孔3は光導波路5の下に設けていれば、本発明の効果を得ることができるが、その周辺、あるいは直接接合面4全体に設けていても構わない。この場合、光導波路5と空孔3の位置合わせが容易になるという効果がある。   Further, if the hole 3 is provided under the optical waveguide 5, the effect of the present invention can be obtained, but it may be provided in the periphery or directly on the entire bonding surface 4. In this case, the optical waveguide 5 and the hole 3 can be easily aligned.

次に空孔の形状について述べる。光導波路の下部に微細な空孔を形成して屈折率の異なる部分を形成することが可能となり光の閉じ込めが実現できる。しかしながら、微細構造の大きさが光導波路を伝搬する光に対して十分小さい構造をとる必要がある。微細構造の形状が大きな場合には、導波路を伝搬する光が微細構造により散乱され導波路の損失が増大する。構造としては、微細構造の微小限界は加工精度によって決定されるが、空孔の直径が導波路を伝搬する光の波長の1/2以下望ましくは1/10以下が望ましい。光の波長に対して十分小さな構造である場合、空孔により実質的な屈折率を制御できる。微細な空孔を形成した場合に、これらの分布が光導波路に与える影響を考慮する必要がある。規則正しく空孔を形成した場合、光導波路を伝搬する光に周期的な摂動を与えることになり、光の回折が生じる。これによって、光導波路の伝搬損失が増大する可能性がある。これを避けるために、空孔の配置はランダムな配置とし、規則性を持たせない構造が望ましい。   Next, the shape of the holes will be described. It is possible to form a fine hole in the lower part of the optical waveguide to form a portion having a different refractive index, thereby realizing light confinement. However, it is necessary to take a structure in which the size of the fine structure is sufficiently small with respect to the light propagating through the optical waveguide. When the shape of the fine structure is large, light propagating through the waveguide is scattered by the fine structure, and the loss of the waveguide increases. As the structure, the minute limit of the fine structure is determined by processing accuracy, but the diameter of the hole is preferably 1/2 or less of the wavelength of light propagating through the waveguide, preferably 1/10 or less. When the structure is sufficiently small with respect to the wavelength of light, the substantial refractive index can be controlled by the holes. When fine pores are formed, it is necessary to consider the influence of these distributions on the optical waveguide. When the holes are regularly formed, periodic perturbation is given to the light propagating through the optical waveguide, and light diffraction occurs. This may increase the propagation loss of the optical waveguide. In order to avoid this, it is desirable that the holes be randomly arranged and have no regularity.

また、空孔の体積密度をV、基板の屈折率をnとする空孔を形成した部分の屈折率は近似的にn*(1−V)+Vで表され、空孔の密度により実効的な屈折率を制御できる。これによって光導波路の閉じ込めを制御できる。例えば空孔の密度を部分的に変化させることで、光導波路のクラッド部分の屈折率を制御できる。さらに空孔の深さを変えることでクラッドの厚みを制御できるため、導波路の形状を自由に制御できる。この構造を用いることで、導波路の形状を3次元的に制御できるという利点を有する。テーパ構造や導波モードの形状を変化させるモード変換器等への応用が可能となる。   In addition, the refractive index of the portion where the void is formed with the volume density of the void being V and the refractive index of the substrate being n is approximately represented by n * (1−V) + V, and is effective depending on the density of the void. The refractive index can be controlled. Thereby, confinement of the optical waveguide can be controlled. For example, the refractive index of the cladding portion of the optical waveguide can be controlled by partially changing the density of the holes. Furthermore, since the thickness of the cladding can be controlled by changing the depth of the holes, the shape of the waveguide can be freely controlled. By using this structure, there is an advantage that the shape of the waveguide can be controlled three-dimensionally. Application to a mode converter or the like that changes the shape of the taper structure or waveguide mode becomes possible.

なお、空孔の高さは導波路を伝搬する光の波長の1/5以上が好ましい。空孔が形成されている部分は屈折率が異なるクラッド層として作用する。このクラッド層が十分厚くないと、光導波路を伝搬する光の電界分布が基板側に漏れて光導波路の伝搬損失増大の原因となる。クラッド層の厚みは空孔の面積密度により条件が変わるが、最低でも導波路を伝搬する光の波長の1/5以上必要である。より好ましくは導波路を伝搬する光の波長の1/2以上が必要である。導波路を伝搬する光の波長の1/5未満では導波損失が大幅に増大し、導波路を伝搬する光の波長の1/2より大きくなると低損失の光導波路が実現できる。また、高さが高くなると凸部または孔のアスペクト比が大きくなり加工の難易度が上がる、高さの限界は加工精度によって決定される。   The height of the holes is preferably 1/5 or more of the wavelength of light propagating through the waveguide. The portion where the holes are formed functions as a clad layer having a different refractive index. If this cladding layer is not sufficiently thick, the electric field distribution of light propagating through the optical waveguide leaks to the substrate side, causing an increase in propagation loss of the optical waveguide. The thickness of the cladding layer varies depending on the area density of the holes, but it needs to be at least 1/5 of the wavelength of light propagating through the waveguide. More preferably, one half or more of the wavelength of light propagating through the waveguide is required. When the wavelength of light propagating through the waveguide is less than 1/5, the waveguide loss is significantly increased. When the wavelength is larger than 1/2 of the wavelength of light propagating through the waveguide, a low-loss optical waveguide can be realized. In addition, as the height increases, the aspect ratio of the projections or holes increases and the difficulty of processing increases. The height limit is determined by the processing accuracy.

次に空孔の配置について述べる。空孔の配置については2とおりの方法があり、空孔の形状とも関係する。第1の基板1に空孔を設けて、導波層を囲むクラッド層として利用する場合、クラッド層を実効的に導波層に比べて屈折率が小さい状態にする必要がある。この場合、クラッド層の空孔は導波層を伝搬する光が空孔を実質的な凹凸と感じない程度、即ち導波する光の波長の1/2以下の大きさにする必要があり、かつ空孔の配置をランダムにする必要がある。周期性が有る場合は回折による導波光の散乱が増大するからである。   Next, the arrangement of the holes will be described. There are two methods for arranging the holes, which are also related to the shape of the holes. When holes are provided in the first substrate 1 and used as a clad layer surrounding the waveguide layer, the clad layer needs to be effectively in a state where the refractive index is smaller than that of the wave guide layer. In this case, the holes in the cladding layer need to have a size such that the light propagating through the waveguide layer does not feel the holes as substantial irregularities, that is, the size of the wavelength of the light to be guided is ½ or less. In addition, it is necessary to randomly arrange the holes. This is because when there is periodicity, scattering of guided light by diffraction increases.

一方、空孔による回折を利用して光を閉じ込める方法がある。フォトニッククリスタルと呼ばれている回折効果を利用した方法で、2次元的なブラッグ反射を利用して光を回折させる方法であるが、この場合の空孔の配置は回折を利用するため空孔の配置は周期的な配置が好ましい。導波層の底面に周期的な空孔を形成することで、光の回折を利用した深さ方向の閉じ込めが可能となる。   On the other hand, there is a method of confining light using diffraction by holes. It is a method that uses a diffraction effect called photonic crystal and diffracts light using two-dimensional Bragg reflection. In this case, the holes are arranged in order to use diffraction. The arrangement of is preferably a periodic arrangement. By forming periodic vacancies in the bottom surface of the waveguide layer, confinement in the depth direction using light diffraction becomes possible.

また、空孔の形状は2次元的な構造を示したが、1次元のストライプ構造も可能である。   Moreover, although the shape of the holes has shown a two-dimensional structure, a one-dimensional stripe structure is also possible.

次にリッジ部の形状について説明する。光導波路5の幅が導波路を伝搬する光の波長の2倍未満になると、導波路の伝搬損失が大幅に増大する。また導波路幅が導波路を伝搬する光の波長の10倍より大きくなると、導波路を伝搬する光がシングルモード伝搬できなくなるため、光導波路5の幅は伝搬する光の波長の2倍から10倍が好ましい。   Next, the shape of the ridge portion will be described. When the width of the optical waveguide 5 is less than twice the wavelength of light propagating through the waveguide, the propagation loss of the waveguide is greatly increased. Further, when the waveguide width becomes larger than 10 times the wavelength of light propagating through the waveguide, the light propagating through the waveguide cannot propagate in a single mode. Therefore, the width of the optical waveguide 5 is twice to 10 times the wavelength of the propagating light. Double is preferred.

また、光導波路5の高さについては、光導波路の高さとリッジの形状で導波モードのシングルモード性が決まり、光導波路の高さは導波路を伝搬する光の波長の2倍から5倍で低損失なシングルモード導波路が構成できる。光導波路の高さが導波路を伝搬する光の波長の2倍未満になると伝搬損失が増大する。また導波路の層の厚みが導波路を伝搬する光の波長の5倍より大きくなると導波路をシングルモードに設計するのが難しくなり、光導波路の高さは光導波路を伝搬する光の波長の2倍から5倍が好ましい。   As for the height of the optical waveguide 5, the single mode property of the waveguide mode is determined by the height of the optical waveguide and the shape of the ridge, and the height of the optical waveguide is 2 to 5 times the wavelength of light propagating through the waveguide. Thus, a low-loss single mode waveguide can be constructed. When the height of the optical waveguide is less than twice the wavelength of light propagating through the waveguide, the propagation loss increases. If the thickness of the waveguide layer is greater than 5 times the wavelength of light propagating in the waveguide, it becomes difficult to design the waveguide in a single mode, and the height of the optical waveguide is equal to the wavelength of light propagating in the optical waveguide. 2 to 5 times is preferable.

次に、ノッジ形状について説明する。ノッジ部の形成による光導波路の横方向の閉じ込め効果は、特に光導波路を波長変換素子に適用する場合に有効となる。波長変換素子において、光導波路内で基本波が高調波に変換される。この場合の変換効率は、導波路内での基本波と高調波の電界分布の重なりにより決定される。光導波路がステップ上の屈折率分布をもつ閉じ込めの強い光導波路においては、理論的に基本波と高調波の電界分布はほぼ一致するため、高効率化が可能となる。   Next, the nodge shape will be described. The lateral confinement effect of the optical waveguide due to the formation of the nodage portion is particularly effective when the optical waveguide is applied to a wavelength conversion element. In the wavelength conversion element, the fundamental wave is converted into a harmonic in the optical waveguide. The conversion efficiency in this case is determined by the overlap of the electric field distribution of the fundamental wave and the harmonic wave in the waveguide. In a highly confined optical waveguide having a refractive index distribution on the step, the electric field distributions of the fundamental wave and the harmonics are theoretically almost the same, so that high efficiency can be achieved.

しかしながら、従来のノッジ形状を有さない光導波路においては、側面へ導波光の漏れが大きく、基本波と高調波の電荷分布の重なりが低下していた。これに対し、ノッジ部を形成することで、横方向の導波光の閉じ込めが飛躍的に向上し、さらに、導波路のパワー密度の向上もあわせて実現することができ、変換効率を従来の1.5倍に高めることが可能となる。ノッジ部を形成した光導波路により閉じ込めの強い光導波路構造が実現できる。   However, in a conventional optical waveguide that does not have a nodge shape, the leakage of guided light is large to the side surface, and the overlapping of the charge distribution of the fundamental wave and the harmonic wave is reduced. On the other hand, by forming the nodge portion, the confinement of the waveguide light in the lateral direction can be dramatically improved, and further the improvement of the power density of the waveguide can be realized. It becomes possible to increase it 5 times. A highly confined optical waveguide structure can be realized by the optical waveguide in which the nodge portion is formed.

ノッジ部を形成した光導波路構造は、波長変換素子以外にも、電気光学効果を利用した光スイッチ等の素子にも有効である。導波光の横方向閉じ込めが強くなることで、導波路伝搬モードであるTEモードとTMモードの伝搬定数の差をほとんど同じに設計できる。研磨による光導波路の特徴は、プロトン交換導波路と異なり金属拡散導波路と同様に、TE,TMの両モードの導波が可能となる点にある。両モードの伝搬が可能となれば、光通信分野への応用に必要不可欠な無偏光の導波路デバイスが実現できる。しかしながら、無偏光の特性を利用するためには、光導波路を伝搬するTE,TMモードの伝搬定数の制御が必要となる。従来の光導波路では、横方向の閉じ込めが弱いため、両モードの伝搬定数を一致させるのが難しかった、これに対して、ノッジ部を形成することで、光導波路の横方向の閉じ込めが強化され、TE(Transverse Electric),TM(Transverse Magnetic)モードの伝搬定数の一致が可能となる。さらに、微細な空孔によりクラッド層の屈折率が制御できるため、モード間の伝搬定数の制御はより容易となる。   The optical waveguide structure in which the nodge portion is formed is effective not only for the wavelength conversion element but also for an element such as an optical switch using the electro-optic effect. By increasing the lateral confinement of guided light, the difference in propagation constant between the TE mode and the TM mode, which are waveguide propagation modes, can be designed to be almost the same. The characteristic of the optical waveguide by polishing is that both TE and TM modes can be guided in the same manner as the metal diffusion waveguide unlike the proton exchange waveguide. If propagation in both modes is possible, an unpolarized waveguide device indispensable for application to the optical communication field can be realized. However, in order to utilize the non-polarized characteristic, it is necessary to control the propagation constants of the TE and TM modes that propagate through the optical waveguide. In conventional optical waveguides, since the lateral confinement is weak, it is difficult to match the propagation constants of both modes. On the other hand, the formation of a nodge portion enhances the lateral confinement of the optical waveguide. , TE (Transverse Electric), TM (Transverse Magnetic) mode propagation constants can be matched. Furthermore, since the refractive index of the cladding layer can be controlled by the fine holes, it is easier to control the propagation constant between modes.

また、リッジ部の側面に形成するノッジの効果は、リッジ部周辺の厚みを薄くする方法に比較して素子の機械的強度を向上させることができる。   In addition, the effect of the nodge formed on the side surface of the ridge portion can improve the mechanical strength of the device as compared with the method of reducing the thickness around the ridge portion.

以下にその製造方法を説明する。   The manufacturing method will be described below.

本実施の形態の素子構造を実現するために、まず第1の基板1の直接接合面に微小な凹部を形成する。微小な凹部を形成する方法は様々あるが、本実施の形態1ではドライエッチングを用いる。まず、全面にスパッタにより金属膜を成膜し、ポジ型のフォトレジストによりマスクパターンを形成する。パターン形成には微小パターンを形成するため光源にI線を用いた縮小投影型の露光装置を用いさらに照明系に傾斜照明を使用した結果、約0.3μmの微小なマスクパターン形成が可能になる。その後、ドライエッチングによりフォトレジストをマスクに金属膜をエッチングすることで金属膜による微小なマスクパターンを形成する。   In order to realize the element structure of the present embodiment, first, a minute recess is formed on the direct bonding surface of the first substrate 1. Although there are various methods for forming a minute recess, dry etching is used in the first embodiment. First, a metal film is formed on the entire surface by sputtering, and a mask pattern is formed using a positive photoresist. For pattern formation, a reduced projection type exposure apparatus using I-line as a light source is used to form a minute pattern, and tilt illumination is used for the illumination system, so that a minute mask pattern of about 0.3 μm can be formed. . Thereafter, the metal film is etched by dry etching using the photoresist as a mask to form a minute mask pattern using the metal film.

次に、マスクに用いたフォトレジストを除去した後に金属膜をマスクにドライエッチングにより第1の基板1をエッチングすることで微小な凹部を形成する。微小な凹部を精度よく加工するために、高真空で高密度プラズマを発生することのできるICP(Inductively Coupled Plasma)方式のエッチング装置を用いる。その結果、凹部の深さバラツキを約0.5μmに対して5%以下に抑えることができる。その後、マスクに用いた金属膜を除去する。   Next, after removing the photoresist used for the mask, the first substrate 1 is etched by dry etching using the metal film as a mask to form minute recesses. An ICP (Inductively Coupled Plasma) type etching apparatus capable of generating high-density plasma in a high vacuum is used in order to process minute concave portions with high accuracy. As a result, the depth variation of the recess can be suppressed to 5% or less with respect to about 0.5 μm. Thereafter, the metal film used for the mask is removed.

次に第1の基板と第2の基板の接合の主面を親水処理し、第1の基板と第2の基板の結晶軸を合せて密着状態を加圧により実現する。その後、約500℃で熱処理することで直接接合基板を形成することができる。   Next, the main surfaces of the first substrate and the second substrate are subjected to a hydrophilic treatment, and the close contact state is realized by pressurization by aligning the crystal axes of the first substrate and the second substrate. Thereafter, the bonded substrate can be directly formed by heat treatment at about 500 ° C.

このようにして得られた微小な空孔3を有する接合基板に光導波路5を形成するために、第1の基板の厚みを約4.5μmに研磨する。その後フォトリソグラフィー、ドライエッチングを用いて、第1の基板1にリッジ光導波路5の幅約5μmで約1.5μmの段差を形成する。   In order to form the optical waveguide 5 on the bonded substrate having the minute holes 3 obtained in this way, the thickness of the first substrate is polished to about 4.5 μm. Thereafter, a step having a width of about 5 μm and a width of about 1.5 μm is formed on the first substrate 1 by using photolithography and dry etching.

以上のように本実施の形態では、光学研磨された第1の基板1と光学研磨された第2の基板2を直接接合してなる光学素子において、第1の基板1内に光導波路5を備え少なくとも、光導波路5の下の直接接合面4に微小な空孔3を形成することにより、機械的強度を有した屈折率の異なる光学的クラッド部を光導波路5の下に形成することができ、直接接合基板で光導波路が形成できる。   As described above, in this embodiment, in the optical element formed by directly bonding the optically polished first substrate 1 and the optically polished second substrate 2, the optical waveguide 5 is provided in the first substrate 1. It is possible to form an optical clad portion having a different refractive index having mechanical strength under the optical waveguide 5 by forming the minute holes 3 in the direct joining surface 4 under the optical waveguide 5 at least. In addition, an optical waveguide can be formed with a direct bonding substrate.

また、直接接合を実現するにはRmax5nm以下の表面粗さが必要になるため、1μmサイズのダストは直接接合の欠陥要因になる。本実施の形態のように約0.3μmの微小な空孔による直接接合領域を形成した場合は製造時に問題になるダストによる接合欠陥を低減する効果もこの素子構造で実現することができる。   Further, in order to realize direct bonding, a surface roughness of Rmax 5 nm or less is required, so that 1 μm-sized dust becomes a direct bonding defect factor. In the case where a direct bonding region is formed by minute holes of about 0.3 μm as in the present embodiment, the effect of reducing bonding defects due to dust, which is a problem during manufacturing, can also be realized by this element structure.

次に、光導波路5のノッジ部6について詳細に述べる。ポジ型のフォトレジストによりノッジ部6のパターンを形成する。その後、ドライエッチングによりフォトレジストをマスクに第1の基板1をドライエッチングすることでノッジ部6をリッジ型の光導波路5とを同時に形成する。ドライエッチングは光導波路5の側壁にフォトレジストによる有機保護膜を形成しサイドエッチングを押さえ異方性のエッチングを実現できる。また、リッジ光導波路5の側面は、この側壁保護膜の効果を制御することによって深さ方向に60度〜89度の傾斜壁形状が実現できる。   Next, the nodage portion 6 of the optical waveguide 5 will be described in detail. A pattern of the nodge portion 6 is formed by a positive type photoresist. Thereafter, the first substrate 1 is dry-etched using a photoresist as a mask by dry etching, so that the nodule portion 6 and the ridge-type optical waveguide 5 are simultaneously formed. In dry etching, an organic protective film made of a photoresist is formed on the side wall of the optical waveguide 5, and anisotropic etching can be realized by suppressing side etching. Further, the side surface of the ridge optical waveguide 5 can be realized to have an inclined wall shape of 60 to 89 degrees in the depth direction by controlling the effect of the side wall protective film.

この傾斜壁形状の効果での傾斜壁の終端部には基板をエッチングするイオンの数が増加する。このようにして光導波路5の周辺よりも深くエッチングされたノッジ部6をリッジ光導波路5側面に形成することができる。このノッジ形状は砥石を使用した研削加工では砥石エッジの摩耗によって安定的に加工することはできない。また、エキシマレーザーを使用したレーザーによる熱加工を用いた場合もレーザースポットのエネルギーの分布は中心のエネルギーが高い分布を有しているためノッジ形状を実現することができなかった。このようにリッジ型の光導波路5側面のノッジ部6はイオン性のドライエッチングによって加工することが可能になる。この製造方法を使用したノッジ部6を有する素子構造で光閉じ込め効率を高めることが可能となる。   The number of ions that etch the substrate increases at the end of the inclined wall due to the effect of the inclined wall shape. In this way, the nodging portion 6 etched deeper than the periphery of the optical waveguide 5 can be formed on the side surface of the ridge optical waveguide 5. This nodge shape cannot be stably machined by grinding of the grinding wheel edge in grinding using a grinding wheel. In addition, even when laser thermal processing using an excimer laser is used, the energy distribution of the laser spot has a high central energy distribution, so that a nodge shape cannot be realized. Thus, the nodule portion 6 on the side surface of the ridge-type optical waveguide 5 can be processed by ionic dry etching. The light confinement efficiency can be increased by the element structure having the nodule portion 6 using this manufacturing method.

(実施の形態2)
以下に本発明の実施の形態2を用いて、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図2は、本発明の実施の形態2における光学素子の構成を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical element according to Embodiment 2 of the present invention.

本実施の形態2と実施の形態1とで相違する点は、実施の形態1では第1の基板にリッジ形成することによって光導波路を形成しているが、本実施の形態2では光導波路の側面に微小な凹部を形成することにより、屈折率の異なるクラッド層を形成し、光の閉じ込めを可能とした点である。   The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the optical waveguide is formed by forming a ridge on the first substrate in the first embodiment, but the optical waveguide is formed in the second embodiment. By forming minute concave portions on the side surfaces, a clad layer having a different refractive index is formed, and light can be confined.

光導波路5に沿って形成されるクラッド層が微細な凹部7によって形成される構成であり、周期的な微細な孔により光に対する禁止帯(フォトニクスバンド)を形成することができる効果が得られる。また、配列する凹部7の深さを光導波路5の側面部を深くした構成であり、深い凹部の効果によって効率よく光を閉じ込めるという効果が得られる。   The clad layer formed along the optical waveguide 5 has a structure formed by the fine recesses 7, and an effect of forming a forbidden band (photonics band) for light by periodic fine holes is obtained. Further, the depth of the recessed portions 7 to be arranged is made deeper at the side surface portion of the optical waveguide 5, and the effect of efficiently confining light is obtained by the effect of the deep recessed portions.

また本実施の形態2においては、第1の基板1に凹部7を形成し、かつ光導波路5の側面部の凹部の深さを深くすることで、実施の形態1のノッジの効果を発揮し光閉じ込めを強固にするものである。   In the second embodiment, the concave portion 7 is formed in the first substrate 1 and the depth of the concave portion in the side surface portion of the optical waveguide 5 is increased, so that the nodification effect of the first embodiment is exhibited. It is what strengthens optical confinement.

凹部7の径を約0.3μm、光導波路5の側面部の凹部の深さを約1.2μm、周辺の深さを約1μmとすることで、実施の形態1でノッジ6を有する素子構造と同様に光閉じ込め効率を高めることが可能となる。   The element structure having the nodge 6 in the first embodiment is that the diameter of the recess 7 is about 0.3 μm, the depth of the recess on the side surface of the optical waveguide 5 is about 1.2 μm, and the peripheral depth is about 1 μm. It is possible to increase the light confinement efficiency in the same manner as the above.

また、凹部による光導波路5の形成は光学素子の機械的強度を向上させる効果を高めることにも有効である。   Further, the formation of the optical waveguide 5 by the concave portion is also effective for enhancing the effect of improving the mechanical strength of the optical element.

本発明にかかる光学素子は、光学研磨された第1の基板と光学研磨された第2の基板を直接接合してなる光学素子において、第1の基板内に光導波路を備え少なくとも、光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えた光学素子で、光導波路の下部に微細な空孔を形成して実効的な屈折率を制御することが可能となり、低価格化および接合強度の向上が図れ、波長変換デバイス、導波モード変換器、電気光学効果を利用した光スイッチ等の素子にも応用できる。   An optical element according to the present invention is an optical element formed by directly joining an optically polished first substrate and an optically polished second substrate, and includes an optical waveguide in the first substrate, at least of the optical waveguide. An optical element with a minute hole in the lower direct bonding surface, and it becomes possible to control the effective refractive index by forming a minute hole in the lower part of the optical waveguide. It can be improved and applied to elements such as a wavelength conversion device, a waveguide mode converter, and an optical switch using the electro-optic effect.

本発明の実施の形態1における光学素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the optical element in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における光学素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the optical element in Embodiment 2 of this invention 従来例における光学素子の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the optical element in a prior art example

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の基板
2 第2の基板
3 空孔
4 直接接合部
5 光導波路
6 ノッジ部
7 凹部
21 保持基板
22 ガラス基板
23 光導波路部
24 薄膜層SiO2 SiN
1 first substrate 2 second substrate 3 holes 4 direct junction 5 waveguide 6 Nudge section 7 the recess 21 hold the substrate 22 glass substrate 23 an optical waveguide unit 24 thin layer SiO 2 SiN

Claims (14)

光学研磨された第1の基板と光学研磨された第2の基板とを直接接合してなる光学素子において、前記第1の基板内に光導波路を備え、少なくとも前記光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えた光学素子。 In an optical element formed by directly bonding an optically polished first substrate and an optically polished second substrate, an optical waveguide is provided in the first substrate, and at least a direct bonding surface under the optical waveguide An optical element with a minute hole. 第1の基板と第2の基板の屈折率がほぼ等しい、もしくは第1の基板の屈折率が、第2の基板の屈折率より小さい請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the refractive index of the first substrate and the second substrate are substantially equal, or the refractive index of the first substrate is smaller than the refractive index of the second substrate. 光導波路がリッジ型光導波路である請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the optical waveguide is a ridge-type optical waveguide. 光導波路のリッジ部の側面にノッジ形状を有する請求項3に記載の光学素子。 The optical element according to claim 3, wherein the side surface of the ridge portion of the optical waveguide has a nodule shape. 光導波路の側面に形成される屈折率の異なるクラッド層が微小な凹部によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the clad layer having a different refractive index formed on the side surface of the optical waveguide is formed by a minute recess. 光導波路の側面に形成される屈折率の異なるクラッド層を構成する凹部の配列において、光導波路側面の凹部の深さを、光導波路外側の深さより深くした請求項5に記載の光学素子。 6. The optical element according to claim 5, wherein in the arrangement of the concave portions constituting the clad layers having different refractive indexes formed on the side surface of the optical waveguide, the depth of the concave portion on the side surface of the optical waveguide is deeper than the depth outside the optical waveguide. 光導波路の幅が光導波路を伝搬する光の波長の2倍から10倍である請求項1に記載の光学素子。 2. The optical element according to claim 1, wherein the width of the optical waveguide is 2 to 10 times the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 光導波路の層の高さが光導波路を伝搬する光の波長の2倍から5倍である請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the height of the layer of the optical waveguide is 2 to 5 times the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 微小な空孔の幅が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下である請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the width of the minute hole is not more than ½ of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 微小な空孔の高さが光導波路を伝搬する光の波長の1/5以上である請求項1に記載の光学素子。 2. The optical element according to claim 1, wherein the height of the minute hole is 1/5 or more of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 微小な空孔の配列が周期的でない請求項1に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the array of minute holes is not periodic. 微小な空孔がストライプ状であり、前記空孔の幅が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下である請求項1に記載の光学素子。 2. The optical element according to claim 1, wherein the minute holes have a stripe shape, and the width of the holes is equal to or less than ½ of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 第1の基板もしくは第2の基板の直接接合面の少なくとも一部に微小な凹部を形成した後、第1の基板と第2の基板とを直接接合することにより直接接合面に微小な空孔を形成し、前記空孔の上の前記第1の基板を加工することにより光導波路を形成する光学素子の製造方法。 After forming a minute recess in at least a part of the direct bonding surface of the first substrate or the second substrate, a minute hole is formed in the direct bonding surface by directly bonding the first substrate and the second substrate. And forming the optical waveguide by processing the first substrate above the holes. 光導波路の形成においてフォトレジストをマスクとして用いるドライエッチングによってリッジ形成するとともに、同時にノッジ部を形成する請求項13に記載の光学素子の製造方法。 14. The method of manufacturing an optical element according to claim 13, wherein in forming the optical waveguide, a ridge is formed by dry etching using a photoresist as a mask, and at the same time a nodule portion is formed.
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